双环状电极大气压等离子体射流的时间分辨诊断1)

张潇漫 , 吴雪梅 ,,

* (苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州 215006)

† (苏州大学江苏省薄膜材料重点实验室,江苏苏州 215006)

引言

大气压等离子体(atmospheric pressure plasma,APP)是一种在常压环境下产生的等离子体,APP 的放电技术与应用在近十年中得到了飞速的发展.目前,APP 的应用涵盖了大量领域,例如治疗创伤、调控细胞生长与凋亡的生物医学方面[1-3]、增强表面润湿性,增加涂层附着力、提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性的材料表面改性方面[4-6]、处理污染物及医疗废物方面[7-8]、材料表面清洗与消毒方面[9-10]及特殊的化学合成[11-12]等方面.

在探索APP 未来的应用与研究分析其相关性质的过程中,等离子体诊断可以帮助我们更好地了解等离子体,从而优化整个应用过程.因此,探索一种细致、全面的等离子体诊断显得尤为重要.目前,关于APP 的诊断大多从光学方法入手,例如发射光谱[13-15]、吸收光谱[16]、激光散射[17-19]、汤姆逊散射[20]、激光诱导荧光[21-22]、纹影成像[23-24]、ICCD相机采集[25-26]等方法.每种方法都具有鲜明的特点,所诊断的目标也不相同.当需要对等离子体演化过程进行研究或需要探索等离子体变化规律时,采用ICCD 相机采集法是极佳的选择,这种方法的优点在于: (1) 高时间分辨率: ICCD 相机能够拍摄纳秒甚至皮秒量级的照片,超高时间分辨率能够获取详细的等离子体放电过程,完成准确的瞬态现象研究;(2) 高灵敏度: ICCD 相机带有光信号增强器件,即使微弱的光信号也能捕捉,这就意味着能发现等离子体放电过程中更多微弱的细节;(3) 高增益: ICCD 相机的光信号增强器能够实现几百乃至几千倍的放大作用,搭配前端相机镜头更可拍摄较远距离的放电现象,拥有很强的灵活性.而这种方法的缺点在于:(1) 成本较高: ICCD 相机价格昂贵;(2) 操作复杂: 仪器结构复杂,软件操作复杂,通常还需要搭配其他仪器共同使用;(3) 放大信号会导致照片失真: ICCD 相机的光信号增强器同样会放大实验环境的噪声信号,过高的放大倍率会导致信噪比降低,进而影响图像的质量.

目前,关于ICCD 相机采集法在等离子体射流方面的诊断,主要针对于小管径的脉冲等离子体射流,其中之一的优势在于,可以将电源输出的脉冲信号直接作为ICCD 相机的外部触发信号,为相机提供精确的拍摄时刻.例如,Lu 等[27]采用亚微秒高压脉冲等离子体射放电,并捕捉了等离子体放电的行为,脉冲放电参数为外加电压5 kV、脉宽500 ns、频率1 kHz,根据测得电压-电流波形特性与采集到的照片显示,电压脉冲引发了三个连续的电流脉冲,第一个电流脉冲与第一次放电的启动相关,第二个电流脉冲与等离子体射流的发射相关,第三个电流脉冲与在电介质表面积累的电荷积累引发的放电相关,观测到的等离子体射流实际上是一种子弹状的等离子体,这种“等离子体子弹”只能在第二个电流脉冲出现后才能观察到,大致行为是在离开射流管后运动开始加速,并在一段时间后达到最大速度,然后速度迅速直至消散,其运动速度在105m/s 的量级,根据计算结果,推测出等离子体射流在低外部电场下可以自行传播,无需外部电场的帮助.Xiong 等[28]利用脉冲电源激发等离子体,并通过ICCD 相机来观测等离子体射流的发射行为,不同的是分别利用正脉冲和负脉冲单独激发等离子体来对比实验结果,其中正、负脉冲宽度均固定为800 ns,频率为8 kHz,电压幅值分别为 ±8 kV,研究发现,在等离子体射流喷出管口之前,正、负脉冲激发的等离子体传播速度相差并不大,均在30 km/s 上下,等离子体一旦喷出管口,传播速度显著增加,且正脉冲激发的等离子体的传播速度远高于负脉冲,数值分别约为150 km/s 和70 km/s,结合发射光谱分析,等离子体从管口喷出后的加速行为,是由于其中浓度的增加导致.Douat 等[29]将两支等离子体射流相对摆放,并通过ICCD 相机研究了产生的等离子体的行为,工作气体(He) 仅通过一个射流源供给,研究发现“等离子体子弹”一旦离开各自的射流管,就会发生相互作用,导致其速度降低.子弹实际上并没有相遇,而是以最小的距离相互接近,接近的位置并不是在两支射流的中间,而是由操作条件决定的,还发现在接近区域中出现了“二次”放电,呈现粉红色的辉光,这一过程与测量到的电流反转完全同步.

本工作中同样采用ICCD 相机采集法,对双环状电极结构等离子体射流进行时间分辨诊断,与以往工作相比,不同之处在于,等离子体射流由高频高压交流电源激发,实验中通过数字脉冲发生器,解决了交流电源没有脉冲触发信号的问题,最后,通过ICCD 相机,准确地获得了一个完整的等离子体放电周期中,不同时间节点的纳秒级照片.根据采集的照片中展示出的不同现象,可以对等离子体射流演化过程进行全面、立体的分析,同时,可以帮助我们进一步认识到等离子体的性质和特性.而在等离子体应用方面,了解等离子体放电行为可以优化对等离子体的控制、改进等离子体应用设备的性能、提高工艺效率和产品质量,因此,本工作对于推动等离子体科学和技术的发展具有重要意义.

1 实验系统

1.1 实验装置介绍

双环状电极等离子体射流装置及时间分辨诊断系统如下图1 所示.装置的主体部分由一根外径为6 mm (厚度为1 mm) 的长石英管组成,石英管上包裹有两个宽度为10 mm 的电极,每个电极结构相同,可分为内外两层,内层材料为铜箔胶带,将其紧密缠绕在石英管上,外层材料为不锈钢带,固定在铜箔外侧,防止长时间使用后铜箔被氧化.在实验中,上方电极连接高压电源,下方电极连接地电极,并在电极的中间添加一个宽度20 mm 的聚四氟乙烯(PTFE)管,防止电极打火,而在石英管的底部,安装了一个5 mm 宽的陶瓷喷嘴.这种装置采用介质阻挡放电(DBD) 的形式,即石英管存在于电极和等离子体的中间,这样的设计存在以下优势: (1) 石英管介质可防止电极溅射污染等离子体;(2) 石英管介质可以限制放电电流,防止等离子体产生过高的温度.

此外,本实验采用的电源为最大功率500 W、频率20 kHz、电压0-30 kV 可调的等离子体电源(CTP-2000 K,南京苏曼等离子体科技有限公司),此外,使用流速为3 slm 高纯氩(Ar: 99.999%)作为工作气体.

等离子体射流的放电行为的诊断分析主要通过电学测试与ICCD 相机采集.电学测试为采集等离子体放电时的电压-电流波形,而ICCD 相机采集为获取等离子体放电过程中的纳秒级时间分辨图像,通过电压-电流波形与纳秒级时间分辨图像的有机结合可以详细的分析等离子体的产生与演化的过程.在诊断分析过程中,电压-电流波形由示波器 (型号: R& RTO 1014.1GHz.10GSa/S) 记录,同时用到高压探头 (型号: Tektronix P6015A) 与皮尔逊电流计 (型号: Pearson 8181),而纳秒级时间分辨图像由ICCD 相机 (型号: DH334T Andor New iStar) 采集,同时用到了数字脉冲发生器产生脉冲信号(型号: MODEL DG535,STANFORD RESEARCH SYSTEMS).

1.2 电学测试

图2 中展示了等离子体放电时所测量的电压-电流波形与等离子体射流的照片,从图2(a)中可以得出,电压波形稳定,其幅值约为14 kV,频率约为20 kHz,产生的电流同样具有周期性,电流波形有着类似正弦的形状,幅值约为8.5 mA,在正弦轮廓的基础之上,在波峰与波谷处,叠加有大量宽度在100 ns 左右的密集电流脉冲,这些电流脉冲的出现引起了电流波形的畸变.

图2 放电电压-电流波形与等离子体射流照片Fig.2 The discharge current-voltage waveform and the photo of the plasma jet

此外,在一个周期内,到达电流到达正、负峰值之前,均会产生一个宽度约1.5 μs 的脉冲,脉冲的大小分别为 +12 mA 及-8.8 mA.在电流波形中,引起电流波形畸变的每一个脉冲信号,都代表着等离子体放电时装置内部形成一个个的放电通道,放电通道形成的原因则是电极区的石英管内壁表面壁面电荷(Q)的聚集[30].图2(b)为实拍照片,细看可知,装置可喷出长度为25 mm 的等离子体.

1.3 ICCD 相机设置

ICCD 相机虽然不能像高速相机一样,在几秒内连续拍摄成百上千张照片,但是其优势在于可以拍摄高清晰度的纳秒级照片,同时可以设置不同的拍摄时间节点,只要等离子体放电拥有较好的重复性且拥有稳定的触发信号,那么可以将多次采集的不同时间节点的照片进行拼接,来获取完整周期的变化照片,以便分析等离子体的放电模式.

因此,首先需要保证无外部环境的干扰,来确保等离子体放电拥有良好的重复性,同时,需要给ICCD 相机输入一个稳定的外部触发信号,在此过程中,需要将高压电源前端的电压信号输出口接至数字脉冲发生器的输入端,通过设置,可以在正弦电压信号归零时,由数字脉冲发生器产生一个3.8 V 的脉冲信号,如图3 所示,此脉冲信号可以作为ICCD相机的外部触发信号,为相机提供精确的拍摄时间节点.

图3 高压电源输出电压与外部触发信号Fig.3 HV supply output voltage and external trigger signal

除了外部触发信号之外,还需要对ICCD 相机进行拍摄参数设置.首先采集模式选取动力学,此模式可以进行连续拍摄,例如将动力学系列长度设置为20,即一次操作采集20 张照片;其次,曝光时间,设置为1 s,曝光时间为采集一张照片所需的时间,时间长度决定了照片的清晰度,可根据实验环境适当延长;ICCD 相机最重要的是设置采集的门模式,由于需要拍摄纳秒级时间分辨照片,因此,必须选择数字延迟发生器模式(digital delay generator,DDG),在此模式下,只有门脉冲为高时,光电阴极才会打开,本实验中门宽设定为10 ns;最后,需要对采集的时间步长进行设置,模式选择为常数,即每张照片的拍摄时间距离触发信号的时间为累加的常数,步长可根据实验条件进行设置,例如设置了1 μs 的步长,那么第一张照片的拍摄时刻为触发信号到达的时刻,第二张照片的拍摄时刻为触发信号到达后延迟1 μs,第三张照片的拍摄时刻为触发信号到达后延迟2 μs,以此类推.

区别于CCD 相机的是ICCD 相机结合了CCD传感器和光信号增强器件,此款ICCD 相机的光信号增强器件(intensifier)采用的是微通道板(microchannel plate,MCP),首先将光信号引导到增强器件上,增强器件将光信号放大后,再通过CCD 传感器捕捉,然后进行图像读取和数字化.因此,如果照片不够清晰,可使用MCP 进行增益,增益大小通过软件进行设置,范围为0～ 4095,通过增加增益,MCP两端的电压增加,到达CCD 传感器的光学信号就会被放大,最高可放大上千倍,这种方法往往会提升图像的信噪比,在实验室环境下增益数值设置一般不超过2200.

在正式拍摄之前,还需要考虑到各个线路中的信号延迟差异.线路中主要存在两个方面的延迟,第一方面来自于电源,即高压电源前端的电压信号输出口与高压电源的输出端之间存在延迟;第二方面来自于数字脉冲发生器,将正弦信号转变为脉冲信号也会产生延迟.为了测试两方面延迟的大小,我们通过示波器采集了对应的波形,所测得结果如图4所示.采集过程中利用高压探头(Tek P6015 A)采集了电源输出端的信号,利用BNC 线采集了电源前端的电压信号输出口的信号,同样利用BNC 线采集了数字脉冲发生器产生的脉冲信号,在此过程中,忽略了高压探头与BNC 线二者的传输时间的差异,也忽略了示波器两个通道之间的延迟差异.

图4 延迟分析Fig.4 Delay analysis

图4(a)中可知,高压电源前端的电压信号输出口快于电源输出端约0.315 μs,即需要添加0.315 μs的时间延迟.从图4(b)中可知,脉冲信号产生的时机在正弦信号降为0 V 之前约0.13 μs,即需要添加0.13 μs 的时间延迟,两项延迟总计0.445 μs,数值较大不可忽略,需要在ICCD 软件设置中添加.同时,为了减少线路中的延迟差异,在实验过程中,需要保证各个线路中,线的总长度相同.

2 结果与讨论

通过电学测量可知,放电频率约为20 kHz,即周期约为50 μs,因此,首先将ICCD 相机的拍摄步长设置为2.5 μs,拍摄20 张,并将不同时间节点采集的照片拼接在一起,组成一个完整的等离子体放电周期,这样就可以观察一个周期内等离子体演化的大致行为,结果如图5 所示.值得一提的是,ICCD 相机得到的原本为黑白照片,所有颜色均是通过后期加工.

图5 一个周期内等离子体射流放电过程Fig.5 Plasma jet discharge within one cycle

通过照片可以看出等离子体射流放电较为稳定,并且经过多次测试发现,在每一周期的同一时刻获取的照片基本一致,重复性好.从图5 中可以发现,等离子体存在一种完全脱离管口,并自主向前传播的状态,这种状态被称之为“等离子体子弹”[29,31-32],更有实验指出,射流中产生的“等离子体子弹”会在每一周期的同一相位点射出,用时数微秒[33].

此外,从图5 中可以看出等离子体射流放电有两个明显的阶段,第一阶段从7.5 μs 开始至32.5 μs结束,具体表现为等离子体从管口逐渐喷出并离开管口继续向下运动,整个阶段有着等离子体的亮度较低、变化较缓且持续时间较长的特点,而第二阶段则是从40 μs 开始至45 μs 结束,具体表现为等离子体极快的从管口喷出,瞬间向下发展至最远处,此过程中有着等离子体亮度较高、变化较快且持续时间极短的特点.最后,从45 μs 开始直至下个周期的前2.5 μs,等离子体能够以较弱的亮度维持.上述两种阶段等离子体放电演化的过程差异较大,其他实验中也能观察到类似的现象[34-37],整个过程中等离子体始终沿着石英管的中轴线传播,并未发生偏离.

为了清楚地分析等离子体射流的具体现象,我们对上述两个放电阶段进行单独的讨论.首先第一阶段为7.5～ 32.5 μs,为了更加直观地展示这一阶段等离子体的位置变化,我们将石英管的中轴线作为x轴,管口处作为原点,以中轴线上的亮度为y轴,进行绘图,结果如图6 所示,图中可以直观地看出等离子体的大致位置与变化情况.同时,将I C C D相机的时间步长降低至0.5 μs,通过较小的时间步长,获取更多放电细节,结果见图7.由于放电的起始与结束过程较慢,图像的变化较小,因此,图7 的第一行与最后一行的照片以1 μs 的时间步长进行展示.

图6 第一阶段中轴线上不同时刻的亮度变化Fig.6 The intensities changes at different times on the x axis position in first stage

图7 等离子体射流放电的第一阶段部分照片Fig.7 Some photos of the first stage of plasma jet discharge

结合图6 与图7 可以直观地看出等离子体射流第一阶段的演化过程.首先,从7.5 μs 开始等离子体射流管口处开始发光,这表明管内已有等离子体产生,并逐渐向外发展,直到9.5 μs 时,才能观察到少量的等离子体喷出管口,11.5 μs 时已经能明显地观察到管口冒出的等离子体,此时外加电压正处于负半周期峰值附近.等离子体从管口喷出的过程用时较长,直到25 μs 时才能观察到完整喷出的等离子体,以等离子体最下端作为参考,向下发展的平均速度约为0.9 km/s.从25 μs 开始,等离子体脱离管口,并继续向下运动,运动过程中所拍摄的等离子体的轮廓较为清晰.

在此过程中,我们将第25,26,27 μs 的照片列出,进行尺寸标记,如图8 所示.结合图8 可以看出,25 μs 时,等离子体长度约为11.7 mm,宽度约为2.3 mm,经过1 μs 的运动之后,它的形状会发生轻微改变,长度被拉长至13.2 mm,等离子体向下发展的过程也是等离子体逐步消散的过程.27 μs 时,等离子体长宽均有所下降,直至29 μs 时等离子体运动至最远处,同时最下端距离管口16.0 mm,而等离子体与管口之间出现了0.35 mm 左右的间隙.纵观25～29 μs 的向下运动过程,以等离子体最下端作为参考,向下发展的平均速度约为1.08 km/s.29 μs 之后,等离子体逐步消散,消散大约耗时约2.5 μs.

图8 第一阶段中不同时刻的照片Fig.8 Photos at different times in the first stage

本实验中观察到的“等离子体子弹”的大小明显大于其他实验中所观察到的[29-31,38-41],这是因为实验中用到的工作气体为Ar,电源为高频高压交流电源,电压幅值高达14 kV,并且射流管的内径为4 mm,而其他实验中,主要利用脉冲电源以及He 作为工作气体,同时脉冲幅值较小 (约5～ 8 kV),并且所采用的射流管内径通常在1 mm 以下.对比之下,本实验中观察到的“等离子体子弹”,尺寸更大、运动距离更短,运动速度更低.

从第一阶段的照片来看,等离子体的运动速度远大于气体的流速,尤其是在射流装置外部,处于低外加电场或零外加电场的环境下,甚至可以自主传播.为了解释这种快速传播的现象,Lu 等[27]提出了一种基于光电离的流光放电模型来解释“等离子体子弹”在低电场条件下的传播动力学,该模型借鉴了Dawson 等[42]所提出的流注理论,示意图如图9 所示.

图9 基于光电离的流光放电模型示意图Fig.9 Schematic diagram of streamer discharge model based on photoionization

在此模型中,将“等离子体子弹”视为一种流柱,并将流注的头部假设为一个半径为R0、电荷数目为n的带正电荷球体,流注头部发出的光子会引发光致电离效应,并在其前方r1位置处产生种子电子(光电子),种子电子受到流柱头部正电荷球体所产生的空间电场的作用下,向头部加速运动,过程中不断碰撞,引发电子雪崩,当电子雪崩发展至流柱的头部时,产生的电子会与原先在头部的正电荷相互中和,那么会在r2位置处留下一个新的带正电荷球体,即新的“等离子体子弹”头部,也代表着“等离子体子弹”头部从0 位置传播至r2位置,这就是整个传播过程,也是等离子体能以较高的速度向前自持发展的原因.

此外,有研究表明[43-44]引起“等离子体子弹”变长的原因是等离子体中受激发的氩原子和亚稳态分子与周围空气中的氮分子和氧分子接触产生的碰撞所致.

等离子体射流第二阶段的演化过程如图10所示.可以看出,从38.5 μs 开始,在管口处能看到极少量的等离子体冒出,长度仅有2 mm,经过0.5 μs 后,射流长度增加至11 mm.到40 μs 时,等离子体长度大幅增加,达到22 mm,此时电源电压正处于正半周期峰值附近,整个放电过程发展的极快,且等离子体始终没有脱离管口.40.5 μs 时,等离子体放电强度达到顶峰,水平宽度在原先的基础上变宽了1 mm 左右,同时,等离子体的最下端变为椭圆状,椭圆的水平宽度比其他处略大,射流的总长度也进一步增加至25 mm 左右.从38.5～ 40.5 μs,以等离子体最下端作为参考,向下快速发展的平均速度高达约12.5 km/s.

图10 等离子体射流放电的第二阶段照片Fig.10 Photos of the second stage of plasma jet discharge

为了进行细致的分析,我们将第40.5,41,41.5 μs 的照片列出,进行尺寸标记,如图11 所示,可以看出,在40.5 μs 时,射流整体宽度约在1.8 mm 左右,宽度略小,射流下端出现的椭圆状头部宽度却有2.2 mm,明显宽于其他位置.在41 μs 时,等离子体宽度依然能够维持在1.8 mm,总长度还会略微提升1.5 mm 左右,但是射流椭圆状头部开始消失,经过0.5 μs 后,已经观察不到射流的椭圆状头部,并且等离子体的长、宽均开始下降,这表明正在进入消散阶段.在消散阶段中,射流长度及宽度持续下降,44 μs时,宽度仅为40.5 μs 时的一半,长度也开始大打折扣,从44～ 45 μs 的照片中,甚至可以看到射流头部10 mm 长度的等离子体逐渐消散的过程,自此以后,等离子体以极弱的状态维持,直至下一周期开始.

图11 第二阶段中不同时刻的照片Fig.11 Photos at different times in the second stage

纵观整个放电周期,第二阶段放电强度最大,发展速度最快,整个阶段发生在电压最大值附近,此阶段的放电现象可解释为,环境中遗留的电子或光电离产生的电子受强电场的影响向电极方向运动,过程中不断地发生碰撞,最终引发电子雪崩,产生强烈、快速的放电,形成一种高电导率的等离子体,这也是这种装置产生的等离子体带电,无法直接触摸的原因.

为何一个放电周期内会产生两种效果不同的放电现象,下面我们将对这个问题进行讨论.这种差异与外加电场和等离子体放电时形成的空间电场有关[45],示意图如图12 所示.

图12 不同外加电场对等离子体放电的影响Fig.12 The influence of different applied electric fields on plasma discharge

等离子体放电时,所形成的空间电场由“等离子体子弹”头部聚集的大量的正电荷与介质表面积累的电荷形成.当外加电压为正时,“等离子体子弹”头部聚集的正电荷的电场与外加电场的方向一致,总场强得到增强,促进等离子体射流向前发展,因此,此时观察到的射流长度较长、放电较强,同时,电子也会快速运动至介质表面,与头部的正电荷形成反向电场,这种反向电场会导致“等离子体子弹”与介质之间的放电减弱,在等离子体与介质之间甚至会形成一段空档,此时观察到的射流宽度较低,这也是图11 中所测量的等离子体射流宽度仅有1.8 mm 的原因;当外加电压为负时,电子则会快速向远处运动,与远处的正离子相互复合,而后消失,此时“等离子体子弹”头部聚集的正电荷的电场与外加电场的方向相反,总场强被削减,不利于等离子体射流向前发展,因此,此时观察到的射流长度略短、放电略弱,同时,由于电子的消失,头部的正电荷与介质之间也会形成较强的电场,它的存在会导致“等离子体子弹”与介质之间的放电增强,此时观察到的射流宽度也会略大,仔细看图7 的第22～ 23 μs 的照片也可看出射流管口处等离子体的宽度较大.

最后,在拍摄过程中,还存在两个重要的问题,分别为: (1) 等离子体演化的重复性是否良好;(2) 增加曝光时间是否会扩大等离子体的轮廓.

为了解决上述问题,我们设置了不同曝光时间进行测试,并选取第26 μs 的照片进行对比,第26 μs对应于第一阶段中等离子体离开管口并向下传播的时刻,测试结果如图13 所示.

图13 不同曝光时间下所采集的照片对比Fig.13 Comparison of photos collected under different exposure times

此处需要额外强调的是,在设置的曝光时间内,外部触发信号会持续不断地输送给ICCD 相机,每到达一个脉冲信号,ICCD 相机便会在其上升沿进行一次采集,最后,在曝光时间结束时,ICCD 相机会将所有采集的照片进行叠加处理并输出,也就是说在我们的模式下曝光时间一定程度上代表着相机的采样次数,例如,设置1 s 的曝光时间,外部触发信号的频率等于电源频率,大小为20 kHz,即1 s 内相机采集了2 万次,那么设置0.5 s 的曝光时间代表着相机采集了1 万次,以此类推.

从图13 中可以看出,每张照片中等离子体的中心位置相差不大,同时,我们也进行了多次重复试验,结果发现,在同一时刻获取的照片基本一致,这就说明等离子体演化的重复性良好.此外,还可直接看出,增加曝光时间,即增加采样次数,并不会扩大等离子体的轮廓,反而会让照片更加清晰,尤其是在曝光时间大于0.2 s 时,这一点也能侧面印证等离子体放电的重复性良好.

3 结论

采用ICCD 相机对双环状电极等离子体射流进行了时间分辨诊断分析,并详细介绍了ICCD 相机采集系统与使用方法.等离子体射流通过高频高压交流电源驱动,并通入3 slm 的Ar 作为工作气体.通过将ICCD 相机门宽设定为10 ns,步长设定为2.5 μs采集放电照片发现,等离子体射流的一个周期内存在两个明显的放电阶段,两次放电现象差异较大.再次将步长设定为0.5 μs 以获取两个阶段中更加细节的放电照片,分析发现,第一阶段放电强度较弱,等离子体射流尺寸较小,但放电持续时间较长进一步研究发现等离子体存在脱离管口自主向下运动的过程,以等离子体最下端作为参考,脱离管口后向下运动的平均速度约为1.08 km/s.此外,采集了第二阶段的放电照片,此阶段有着放电强烈、产生的等离子体射流尺寸较大、发展迅速的特点,以等离子体最下端作为参考,向下快速发展的平均速度约为12.5 km/s,等离子体发展至最远处后,开始逐步消散,整个阶段中等离子体始终未离开管口.

本项工作揭示高频高压电源激励下,双环状电极等离子体射流在一个周期内的放电行为,分析了过程中的放电原理.本工作的结论对等离子体理论分析、放电模拟、材料处理等多方面均有积极的推动作用,甚至在等离子体设备的设计研发方面也存在辅助与反馈的作用.总之,这种化整为零的时间分辨诊断方法,能让我们更加深刻的了解到等离子体的基本性质,在等离子体的众多诊断方法中有着不可替代的独特作用.通过本项工作的研究,我们期望能够为大气压等离子体今后的应用提供详细的实验依据,推动大气压等离子体技术的发展与进步.